MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的 协议转换方法和装置 【技术领域】
本发明涉及到两种工业通信网络协议之间的转换，特别是一种MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的协议转换方法和装置。
背景技术
现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线协议标准多种多样，国际电工委员会(IEC)于2000年公布通过了IEC61158现场总线标准，容纳了8种互不兼容的控制层协议和三种设备级现场总线标准。现场总线具有实时性好、稳定性高等优点，但是普遍通信速率较低，如设备网现场总线的最高通信速率只能达到500Kbps。这在通常的工业控制场合还可以满足应用的需要，但是要想进一步提高控制系统的性能，如传输视频、音频等多媒体数据时，就成为发展的瓶颈。而且，各种不同标准现场总线之间还存在着兼容性的问题。为此，人们考虑采用一种统一的标准来解决这些问题。
以太网是商业领域里普遍采用的局域网络，结合TCP/IP协议构成了因特网的基础，成为网络应用中事实上的标准。其通信速率最低也可达到10Mbps，并且具有广泛的应用基础。因此，针对以太网在实时控制中的应用一时成为了研究热点，很多大公司和科研机构都对其表示出极大的兴趣，纷纷推出了各自的工业以太网协议。工业以太网有其自身的优势，但是用在底层设备中还存在着诸如实时性、本质安全性等问题，所以目前主要还是应用在企业信息管理层，而在底层还是采用现场总线网络。这就存在着设备层和信息层的衔接问题。各个大公司为了维护自身利益，抢占市场份额，都推出了与自身协议兼容的网络架构。如美国Rockwell公司基于控制与信息协议(CIP)推出了设备网、Controlnet、Ethernet/IP的三层体系结构，法国施耐德公司推出“透明工厂”的概念，在底层采用MODBUS RTU、MODBUS PLUS等现场总线网络，在信息层采用MODBUS/TCP工业以太网，层次间基于相同地功能码联接。这些体系结构虽然实现了工业以太网和现场总线间的互连，但是各个层次的通信网络都是基于相同的协议标准。这种封闭的状况给用户带来了很大的不便，在系统设计和系统改造时受到很大的限制。尤其是国内用户在选用工业控制类产品和构建系统时往往盲目性很大，面对不同协议标准无所适从。若能实现不同协议标准的工业以太网和现场总线网络之间的转换，既能满足底层设备网络实时性等要求，又能满足信息层网络高速率、大容量的需要，还可以解决不同协议标准的通信网络的兼容性问题，是一个有益、可行的方案。为此，选用了在设备层网络里具有代表性的设备网现场总线和已得到广泛应用的MODBUS/TCP工业以太网进行协议转换。
土桥利光在1998年3月5日提交的发明专利“现场设备和现场总线系统以及控制现场设备的方法”(申请号：98107141)中给出了一种把模拟信号设备转换到现场总线系统的设备。周祖德等人在2002年6月21日提交的发明专利“现场总线与串行接口设备间的协议转换方法和装置”(申请号：02138703)中给出了一种实现串行接口设备与现场总线间的协议转换方法和实现装置。但在已公布的专利文献中尚未有涉及到不同协议标准的工业以太网和现场总线间协议转换方法和装置的内容。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的协议转换方法和装置。
本发明涉及的设备网现场总线是在1994年由美国的Allen-Bradly公司开发的，它的物理层和数据链路层基于CAN总线规范，在应用层以对象模型描述节点。MODBUS/TCP工业以太网协议是法国施耐德公司于1998年推出的。该协议是一种应用层协议，其物理层和数据链路层基于以太网，应用层的定义与MODBUS协议家族的其它协议通用。设备网现场总线协议和MODBUS/TCP工业以太网协议在物理层采用不同的规范，在数据链路层采用不同的介质访问方式。在应用层上，设备网协议采用基于对象模型的描述，而MODBUS/TCP工业以太网协议基于功能码实现命令。为了实现两种协议的转换，协议转换方法和装置既要满足两种协议物理层和数据链路层的要求，又要能够对各自的应用层定义分别作出解释，这也是发明要解决的主要技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的协议转换方法，由工业以太网接口模块实现MODBUS/TCP工业以太网协议，由设备网主节点通讯适配器模块实现设备网现场总线协议，其特征在于由微处理器中的软件建立统一的报文模型，实现MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的应用层协议转换。
上述的统一的报文模型是：微处理器从工业以太网模块接收的报文分为六种，以不同的报文标识符标识：①设备网网络配置报文：包含报文标识、节点地址、厂商号、产品类型、产品代码、通讯方式、在设备网主节点通讯适配器模块双端口存储器输入区中的映射区、在设备网主节点通讯适配器模块双端口存储器输出区中的映射区、结束标识符；②装置运行参数报文：包含报文标识、工业以太网接口模块双端口存储器输入区的空间、工业以太网接口模块双端口存储器输出区的空间、工业以太网接口模块初始化参数、设备网主节点通讯适配器模块双端口存储器输入区空间、设备网主节点通讯适配器模块双端口存储器输出区空间、设备网主节点通讯适配器模块初始化参数、定时周期；③节点开/关报文：包括报文标识、节点地址标志区；④读节点状态报文：包括报文标识、节点地址标志区；⑤读过程数据报文：包括报文标识、节点地址标志区；⑥写过程数据报文：包括报文标识、节点地址、数据内容、结束标识符。微处理器向工业以太网接口模块写入两类报文：①从节点状态上传报文：包括报文标识、节点状态标志区；②从节点过程数据上传报文：包括报文标识、节点地址、数据内容，结束标识符。
上述的协议转换的步骤为：
(1)微处理器读取电可擦除存储器中运行参数，对协议转换装置初始化；
(2)等待工业以太网模块产生中断，微处理器获得设备网网络组网信息，对设备网网络组网；
(3)微处理器读取设备网网络中各个从节点工作状态。
(4)等待中断，微处理器判断中断类别，并分别处理：
(a)若是工业以太网接口模块产生中断，根据报文标识符判断报文类型，分别进行处理；
(b)若是设备网主节点通讯适配器模块产生中断，读取从节点过程数据并将该数据写入工业以太网接口模块。
(c)若是定时中断，读取各从节点工作状态并更新电可擦除存储器中的节点工作状态标识区。
(5)重复步骤(3)和(4)，循环运行。
上述的协议转换装置初始化步骤为：微处理器从电可擦除存储器中取出预置的转换装置运行参数，包括工业以太网接口模块间的双端口存储器输入区和输出区的大小，工业以太网接口模块的初始化参数，微处理器与设备网主节点通讯适配器模块间的双端口存储器中输入区和输出区的大小，设备网主节点通讯适配器模块初始化参数，定时器中断的定时周期。然后微处理器根据获得的运行参数分别进行参数设置。
上述对设备网网络组网步骤为：微处理器从工业以太网接口模块获得设备网网络配置信息，判断是否全部帧都结束，如果没有结束，将当前帧暂存入静态存储器中；如果全部帧结束，更新电可擦除存储器，设置通讯适配器模块工作于空闲状态，然后向该模块双端口存储器中的邮箱区写入配置数据；配置结束后，恢复通讯适配器模块为运行状态，然后中断返回。
上述的微处理器处理工业以太网接口模块产生中断的步骤为：微处理器读工业以太网接口模块双端口存储器的输出区，判断报文标识，作如下处理：
(1)如果是设备网网络配置报文，则按对设备网网络配置组网步骤处理；
(2)如果是更新协议转换装置运行参数报文，则首先更新电可擦除存储器，然后软复位协议转换装置，从电可擦除存储器中读出新的运行参数，对装置进行初始化，结束后返回；
(3)如果是节点开/关报文，则首先读电可擦除存储器，当节点状态位与报文中的对应位相同时执行开/关动作；当节点状态位与报文中的对应位不相同时不执行开/关动作；
(4)如果是读节点状态报文，则微处理器读电可擦除存储器，取出各状态标志，然后写入工业以太网接口模块的双端口存储器的输入区，结束后返回；
(5)如果是读从节点过程数据报文，则首先从静态存储器中读出该节点的过程数据，然后将从节点过程数据上传报文写入工业以太网接口模块中双端口存储器的输入区，结束后返回；
(6)如果是向从节点写过程数据报文，则根据节点地址号确定该节点在主节点通讯适配器模块输入区中的映射区，然后向该映射区写入过程数据。
上述的微处理器处理设备网主节点通讯适配器模块产生中断的步骤为：微处理器读设备网主节点通讯适配器模块双端口存储器中的邮箱区，判断是哪一个从节点的过程数据得到了更新，然后读设备网主节点通讯适配器模块双端口存储器中的输出区内与该节点对应的映射区，将读出的数据暂存入静态存储器的对应区域，并把从节点过程数据上传报文写入工业以太网接口模块双端口存储器的输入区，结束后返回。
一种MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的协议转换装置，其特征在于微处理器通过内部总线与工业以太网接口模块、设备网主节点通讯适配器模块和静态存储器连接，微处理器通过串行外围接口连接电可擦除存储器。
上述的工业以太网接口模块通过以太网接口连接以太网，该模块内双端口存储器分为三部分-输入区、输出区和邮箱区，经双端口存储器连接内部总线；设备网主节点通讯适配器模块通过现场总线接口连接设备网现场总线，该模块双端口存储器分为三部分-输入区、输出区和邮箱区，经双端口存储器连接内部总线。
上述的微处理器采用数字信号处理器。
本发明与现有的技术相比，具有如下显而易见的突出特点和显著的进步：
(1)采用工业以太网接口模块，实现了MODBUS/TCP工业以太网协议。
(2)采用设备网主节点通讯适配器模块实现了设备网现场总线协议。
(3)在以上两种模块的支持下，实现了MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线之间物理层和数据链路层之间的转换。
(4)建立了统一的报文模型，实现了基于不同协议标准的MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间应用层协议的转换。
本发明实现了基于不同协议标准的工业以太网和现场总线之间的协议转换，既满足了设备层的要求，又实现了信息层和设备层的有机结合，提高了控制系统的灵活性和兼容性。
【附图说明】
图1是本发明实施例的协议转换装置结构示意图。
图2是本发明实施例的报文模型。
图3是本发明实施例的主程序流程图。
图4是本发明实施例的装置运行参数初始化子程序。
图5是本发明实施例的设备网网络配置子程序。
图6是本发明实施例的外部中断1处理子程序。
图7是本发明实施例的外部中断2处理子程序。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明的一个优选实施方式进行说明：
参见图1，本实施例的MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的协议转换方法是：采用工业以太网接口模块20实现MODBUS/TCP工业以太网协议，采用设备网主节点通讯适配器模块12实现设备网现场总线协议，由微处理器7中的软件建立统一的报文模型，实现MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的应用层协议转换。
参见图2，上述统一的报文模型是：微处理器7(CPU)从工业以太网接口模块20接收的报文分为六种，以不同的报文标识(message ID)识别报文类型：
①设备网网络配置报文中包含了针对各个从节点的配置信息。包括从节点的节点地址(MAC ID)、厂商号(vendor)、产品类型(product type)、产品代码(productcode)、与主节点的通讯方式、在输入区16和输出区14中开辟映射区的大小等参数。每一帧报文针对一个从节点配置信息，在最后一帧报文的末尾加上报文结束标识符，以便于CPU判断处理。
②装置运行参数报文中包含了装置初始化时需要的参数。包括CPU与工业以太网接口模块间的双端口存储器5中输入区19和输出区2的大小，对工业以太网接口模块的初始化参数；CPU与设备网通讯适配器模块12间的双端口存储器17中输入区16和输出区14的大小，对设备网通讯适配器模块初始化参数；定时器中断的定时周期等参数。
③节点开/关报文用来通知CPU关闭某些节点或重新启动某些节点，节点地址标志区中有8个字节，共64位，当某一位是1时表示关闭该位对应节点。当某一位是0时表示重新启动该位对应节点。
④读节点状态报文用来通知CPU上传某个或某些从节点的运行状态。节点地址标志区中有8个字节，共64位，当某一位是1时表示需要读取该位对应的节点状态。
⑤读过程数据报文用来通知CPU上传某个或某些从节点的过程数据。节点地址标志区中有8个字节，共64位，当某一位是1时表示需要读取该位对应节点的过程数据。
⑥写过程数据报文用来通知CPU向某个从节点写入过程数据。节点地址标识要写入的从节点的地址，然后是要写入的数据，最后是表示数据结束的标识符。
CPU向工业以太网接口模块可写入两类报文：
①从节点状态上传报文用来上传各个从节点的工作状态，节点状态标志区中有8个字节，共64位，当某一位是0时表示该位对应的节点状态正常，当某一位是1时表示该位对应的节点状态异常。
②从节点过程数据上传报文用来上传某个从节点的过程数据，节点地址标识从节点的地址，然后是要上传的数据，最后是表示数据结束的标识符。
参见图3和图1，上述的协议转换步骤是：①微处理器7(CPU)首先从电可擦除存储器9中读出协议转换装置的运行参数，对装置21进行初始化。②然后等待由工业以太网接口模块20引起的中断，以获得对设备网网络的组网信息，根据获得的信息对设备网网络组网。③网络配置结束后，CPU读取各从节点的工作状态并存入电可擦除存储器9，然后进入正常运行状态。④等待中断产生，由工业以太网接口模块20引起的外部中断调用外部中断1处理子程序进行处理，由设备网通讯适配器模块12引起的外部中断调用外部中断2处理子程序进行处理，由定时器引起的中断调用定时中断处理子程序进行处理。⑤处理结束后返回循环工作状态。
参见图4和图1，上述的装置21初始化步骤是：CPU首先从电可擦除存储器9中取出预置的装置运行参数，包括CPU与工业以太网接口模块20间的双端口存储器5中输入区19和输出区2的大小，对工业以太网接口模块20的初始化参数；CPU与设备网通讯适配器模块12间的双端口存储器17中输入区16和输出区14的大小，对设备网通讯适配器模块12初始化参数；定时器中断的定时周期等参数，然后CPU根据获得的运行参数分别进行参数设置。
参见图5和图1，上述的对设备网网络组网步骤是：CPU从工业以太网接口模块20获得设备网网络配置信息，判断是否全部帧都结束。如果没有结束，将当前帧暂存入静态存储器6中。如果全部帧结束，更新电可擦除存储器9，设置通讯适配器模块12工作于空闲(idle)状态，然后向双端口存储器17中的邮箱区10写入配置数据。配置结束后恢复通讯适配器模块12为运行(run)状态，然后中断返回。
参见图6和图1，上述的CPU处理工业以太网接口模块20产生中断的步骤是：CPU读双端口存储器5的输出区2，判断报文标识。
①如果是设备网网络配置报文，依据图5所示流程处理。
②如果是更新装置运行参数报文，首先更新电可擦除存储器9，然后软复位协议转换装置21，从电可擦除存储器9中读出新的运行参数，对装置21重新进行初始化，结束后返回。
③如果是节点开/关报文，首先读电可擦除存储器9，当节点状态位与报文中的对应位相同时执行开/关动作；当节点状态位与报文中的对应位不相同时不执行开/关动作。
④如果是读节点状态报文，CPU读电可擦除存储器9取出各状态标志，然后写入双端口存储器5的输入区19，结束后返回。
⑤如果是读从节点过程数据报文，首先从静态存储器6中读出该节点的过程数据，然后将从节点过程数据上传报文写入双端口存储器5的输入区19，结束后返回。
⑥如果是向从节点写过程数据报文，根据节点地址号确定该节点在输入区16中的映射区，然后向该映射区写入过程数据。
参见图7和图1，上述的CPU处理设备网主节点通讯适配器模块12产生中断的步骤是：CPU读双端口存储器17的邮箱区10判断是哪一个从节点的过程数据得到了更新，然后读双端口存储器17的输出区14内与该节点对应的映射区，将读出的数据暂存入静态存储器6的对应区域，并把从节点过程数据上传报文写入双端口存储器5的输入区19，结束后返回。
参见图1，本实施例的MODBUS/TCP工业以太网和设备网现场总线间的协议转换装置21是：微处理器7通过内部总线18与工业以太网接口模块20、设备网主节点通讯适配器模块12和静态存储器6连接，微处理器7通过串行外围接口8连接-个电可擦除存储器9。
上述的工业以太网接口模块20通过以太网接口1连接以太网22，双端口存储器5分为三部分一输入区19、输出区2和邮箱区4，经双端口存储器5连接内部总线18；设备网主节点通讯适配器模块12通过现场总线接口13连接设备网现场总线11，双端口存储器17分为三部分一输入区16、输出区14和邮箱区10，经双端口存储器17连接内部总线18。
参见图1，下面对协议转换装置21的各组成器件进行介绍：
(1)采用TI公司生产的TMS320F206数字信号处理器作为微处理器7，内部带有程序存储区和数据存储区。
(2)采用瑞典HMS公司生产的Anybus-s Ethernet工业以太网接口模块20实现MODBUS/TCP协议功能。该模块提供标准以太网接口1，协议转换装置可通过该接口与以太网22连接。模块内部的工业以太网协议处理单元3可实现MODBUS/TCP工业以太网协议。模块提供了双端口存储器5与CPU接口，双端口存储器被分成输入区19、输出区2和邮箱区4，CPU可通过输入区19向接口模块写入各个从节点的运行状态和过程数据，可通过输出区2获得以太网信息层发送的各类型报文，可通过邮箱区4设置接口模块运行参数，读取其运行状态。
(3)采用瑞典HMS公司生产的Anybus-m设备网Master/scanner通讯适配器模块12作为设备网主节点。该模块提供标准设备网现场总线接口13，协议转换装置可通过该接口与设备网现场总线11连接。模块内部的设备网协议处理单元15可实现设备网协议。模块提供了双端口存储器17与CPU接口，双端口存储器17被分成输入区16、输出区14和邮箱区10，在输入区16和输出区14中可建立与各个从节点对应的映射区，CPU可通过输入区16向各个从节点写入过程输出数据，可通过输出区14获得各从节点的过程输入数据，可通过邮箱区10设置通讯适配器模块的运行参数，对设备网网络进行组网配置，读取各个从节点的运行状态。
(4)采用带有看门狗功能的电可擦除存储器9(EEPROM)存储掉电保护数据，CPU与电可擦除存储器之间通过串行外围接口8连接。
(5)采用静态存储器6(RAM)作为数据存储器存储从节点的过程数据。 CPU、工业以太网接口模块、设备网通讯适配器模块、静态存储器之间通过协议转换装置的内部总线17连接，内部总线由数据、地址、控制线构成。